JP2011205884A - ビルトインモータ主軸装置及び加工装置 - Google Patents

Abstract

【課題】主軸の熱変位量の低減をおこなうことができるビルトインモータ主軸装置を提供すること。
【解決手段】主軸３２とロータ２４間にスリーブ２８を介在させ、主軸３２とスリーブ２８の間の圧接嵌合部は、周方向に間隔をあけて配置された複数の第１圧接部３０と、第１圧接部３０間に配置された複数の第１熱伝導阻害部３１とからなり、スリーブ２８とロータ２４の間の圧接嵌合部は、周方向に間隔をあけて配置された複数の第２圧接部２６と、第２圧接部２６間に配置された複数の第２熱伝導阻害部２７とからなり、第１熱伝導阻害部３１および第２熱伝導阻害部２７は、主軸の軸方向所定位置における軸方向直交断面において主軸３２中心から各放射方向を見たとき、両熱伝導阻害部のいずれかが存在するように配置する。
【選択図】図２

Description

本発明は、主軸を回転駆動させるビルトインモータ主軸装置、及び加工装置に関する。

従来から工作機械の主軸装置としてモータを内蔵した主軸装置が使用されている。この主軸を回転駆動させるモータはロータ及びステータ等により構成されており、モータを回転駆動することによりロータが発熱し、ロータの発熱に伴う主軸の温度上昇により、主軸の曲がり等の熱変形がおこることが知られている。

特許文献１には、主軸とロータ間にスリーブを介在させ、スリーブと主軸間の嵌合部の長さをスリーブの回転軸方向の長さより短くし、ロータとスリーブ間の嵌合部とスリーブと主軸間の嵌合部とが半径方向で重ならない位置に設ける構成とした主軸装置が開示されている。これにより、ロータの締め付け力のばらつきが小さく、ロータの発熱が主軸に伝わり難くなるので、主軸の曲がり量及び軸振れ量を低減して回転精度を高くすることができるため、加工精度を向上させることができる。

特開２００８−２４５３５８号公報

しかしながら、このような構造の主軸装置にも、課題は残されている。
モータを回転駆動することにより発生するロータの発熱は、ロータ内で一様に発熱するとは限らず、局所的な発熱となる場合がある。特許文献１では、主軸とロータ間にスリーブを介在させ、スリーブと主軸間の嵌合部の長さをスリーブの回転軸方向の長さより短くし、ロータとスリーブ間の嵌合部とスリーブと主軸間の嵌合部とが半径方向で重ならない位置に設ける構成とすることで、ロータの熱が主軸に伝わり難くしていたが、ロータの発熱部位によっては、ロータの熱が高温のまま直接主軸へ伝わり、主軸の熱変位量が低減しないという問題があった。

本発明は、上記問題点を解決するためになされたものであって、その目的は、ロータの発熱部位に影響されることなく主軸へと伝わる熱を抑制し、主軸の熱変位量の低減をおこなうことができるビルトインモータ主軸装置及び、このようなビルトインモータ主軸装置を備えた加工装置を提供することにある。

上記問題点を解決するために提供される請求項１に記載の発明は、ハウジングと、前記ハウジングに回転可能に支持された主軸と、前記主軸の外周面に圧接嵌合されたスリーブと、前記スリーブの外周面に圧接嵌合されたロータを有し、前記主軸を回転駆動するモータと、を備え、前記主軸と前記スリーブの間の圧接嵌合部は、周方向に間隔をあけて配置された複数の第１圧接部と、当該第１圧接部間に配置された複数の第１熱伝導阻害部とからなり、前記スリーブと前記ロータの間の圧接嵌合部は、周方向に間隔をあけて配置された複数の第２圧接部と、当該第２圧接部間に配置された複数の第２熱伝導阻害部とからなり、前記第１熱伝導阻害部および前記第２熱伝導阻害部は、前記主軸の軸方向所定位置における軸方向直交断面において前記主軸中心から各放射方向を見たとき、前記両熱伝導阻害部のいずれかが存在するように配置されていることを特徴とするビルトインモータ主軸装置である。

上記ビルトインモータ主軸装置によれば、ロータの発熱を主軸とロータ間に介在させたスリーブに配置された圧接嵌合部と熱伝導阻害部の構成により、ロータの発熱がどの部位に発生したとしても、熱は高温のまま直線的に主軸へ伝わることなく、スリーブ内で拡散されて温度が下がった状態で伝わることとなる。これにより主軸の温度上昇及び温度差は抑制され、主軸の熱変位量を低減した、より高い精度で主軸を回転させることができる、ビルトインモータ主軸装置を実現することができる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のビルトインモータ主軸装置であって、前記第１熱伝導阻害部および前記第２熱伝導阻害部は、前記主軸の軸方向所定位置における軸方向直交断面において前記主軸中心から各放射方向を見たとき、前記両熱伝導阻害部の両方が存在するように配置されていることを特徴とするビルトインモータ主軸装置である。

上記ビルトインモータ主軸装置によれば、ロータの発熱を主軸とロータ間に介在させたスリーブに配置された圧接嵌合部と熱伝導阻害部の構成により、ロータとスリーブの圧接嵌合部からスリーブ内を経由して主軸へと伝わる熱伝達経路を長くすることができる。これによりロータの発熱がどの部位に発生したとしても、ロータの熱はスリーブ内で拡散するとともに放熱され、主軸へと伝わる熱をより小さくすることができる。また、主軸中心から各放射方向を見たとき、第１熱伝導阻害部と第２熱伝導阻害部の両方が存在するため、ロータの熱が直接主軸へ伝わることもより抑制される。これにより、主軸の熱変位量を低減した、より高い精度で主軸を回転させることができる、ビルトインモータ主軸装置を実現することができる。

請求項３に記載の発明は、請求項１〜２に記載のビルトインモータ主軸装置であって、前記主軸と前記スリーブの間の圧接嵌合部は、周方向に１８０度位相の異なる２箇所の第１圧接部と、当該第１圧接部間に配置された２箇所の第１空隙部とからなり、前記スリーブと前記ロータの間の圧接嵌合部は、周方向に１８０度位相の異なる２箇所の第２圧接部と、当該第２圧接部間に配置された２箇所の第２空隙部とからなり、前記第１圧接嵌合部と前記第２圧接嵌合部は、周方向に９０度位相を変えて相対配置されていることを特徴とするビルトインモータ主軸装置である。

上記ビルトインモータ主軸装置によれば、第１、第２圧接部が周方向に１８０度位相の異なる２箇所で圧接するとともに、第１圧接部と第２圧接部は、周方向に９０度位相を変えて相対配置されることにより、ロータとスリーブの圧接嵌合部からスリーブ内を経由して主軸へと伝わる熱伝達経路を長くすることができる。これによりロータの発熱がどの部位に発生したとしても、ロータの熱はスリーブ内で拡散するとともに放熱され、主軸へと伝わる熱をより小さくすることができる。また、主軸中心から各放射方向を見たとき、第１空隙部と第２空隙部のいずれかまたは両方が存在するため、ロータの熱が直接主軸へ伝わることも抑制される。これにより、主軸の熱変位量を低減した、より高い精度で主軸を回転させることができる、ビルトインモータ主軸装置を実現することができる。

請求項４に記載の発明は、請求項１〜３に記載のいずれかのビルトインモータ主軸装置と、主軸に取り付けた加工工具と、を備え、前記主軸を前記ビルトインモータ主軸装置で回転駆動させて加工をおこなうことを特徴とする加工装置である。

上記加工装置によれば、主軸の熱変位量を低減した、より高い精度で主軸を回転させることができる、加工装置を実現することができる。

請求項５に記載の発明は、請求項１〜３に記載のいずれかのビルトインモータ主軸装置であって、前記主軸と前記スリーブの間の軸方向の両端部の圧接嵌合部及び前記スリーブと前記ロータの間の軸方向の両端部の圧接嵌合部は、周方向に全周に設けられていることを特徴とするビルトインモータ主軸装置。

上記ビルトインモータ主軸装置によれば、主軸とスリーブの間の軸方向の両端部、及び、リーブとロータの間の軸方向の両端部は、周方向に、全周に圧接嵌合部が設けられているので、ロータの締め付け力を大きくすることができる。軸方向の両端部は、外気にさらされているので、ロータの発熱があっても外気により放熱され、熱は高温のまま主軸へ伝わることはない。軸方向の両端部以外は、ロータの発熱を主軸とロータ間に介在させたスリーブに配置された圧接嵌合部と熱伝導阻害部により、ロータの発熱がどの部位に発生したとしても、熱は高温のまま直線的に主軸へ伝わることない。熱はスリーブ内で拡散されて温度が下がった状態で伝わるので、主軸の温度上昇及び温度差は抑制される。これにより、主軸の熱変位量を低減するとともに、ロータの締め付け力を大きくした、ビルトインモータ主軸装置を実現することができる。

本発明に係るビルトインモータ主軸装置及び加工装置を用いれば、主軸の熱変位量を低減した、より高い精度で主軸を回転させることができる、加工装置を実現することができる。

本実施形態に係るビルトインモータ主軸装置を示す断面図である。 図１のＡにおける軸方向直交の断面図である。 本実施形態における熱伝達経路を示す説明図である。 構成（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）におけるロータ、スリーブ、主軸の軸方向直交の断面図である。

以下、本発明のビルトインモータ主軸装置１０の実施形態について図面を参照しつつ説明する。図１は、本実施形態に係るビルトインモータ主軸装置１０の外観を示す断面図であり、図２は、図１のＡにおける軸方向直交の断面図である。なお、工具を装着する部位に近いほうをフロント側とし、遠いほうをリア側とする。

図１に示すように、本実施形態のビルトインモータ主軸装置１０は、ハウジング１８、フロント側軸受１６、リア側軸受３４、モータ２０、主軸（スピンドル）３２、ロータ２４、ステータ２２、スリーブ２８、冷却ジャケット１９、工具（砥石）１４、工具把持部（ホルダ）１２から構成される。
ハウジング１８には、主軸（スピンドル）３２を回転自在に支持するフロント側軸受１６及びリア側軸受３４が設けられる。
主軸３２には、略円筒状のスリーブ２８を介して、ロータ２４が取り付けられている。
また、主軸３２のフロント側には、工具（砥石）１４が工具把持部（ホルダ）１２で保持されている。
モータ２０はステータ２２やロータ２４等を有し、主軸３２に取り付けられたロータ２４及びステータ２２により、主軸３２を回転駆動させる。

ロータ２４と主軸３２との間に介在するスリーブ２８は、主軸３２の外周面とスリーブ２８の内周面の圧接嵌合部（第１圧接嵌合部）で嵌め合わされるとともに、スリーブ２８の外周面とロータ２４の内周面の圧接嵌合部（第２圧接嵌合部）で嵌め合わされている。

図２に示すように、主軸３２の外周面とスリーブ２８の内周面の圧接嵌合部は、周方向に１８０度位相が異なる２箇所の第１圧接部３０からなっている。、２箇所の第１圧接部３０間には第１空隙部（第１熱伝導阻害部）３１が形成されている。また、２箇所の第１圧接部３０の回転軸方向の長さは、ロータ２４の回転軸方向の長さとほぼ同じ長さで設けられている。

同様に、スリーブ２８の外周面とロータ２４の内周面の圧接嵌合部は、周方向に１８０度位相が異なる２箇所の第２圧接部２６からなっている。２箇所の第２圧接部２６間には第２空隙部（第２熱伝導阻害部）２７が形成されている。また、２箇所の第２圧接部２６の回転軸方向の長さは、ロータ２４の回転軸方向の長さとほぼ同じ長さで設けられている。

さらに、第１圧接部３０と第２圧接部２６とは、周方向に９０度位相を変えて相対配置されている。これにより軸方向直交断面において主軸３２中心から各放射方向を見たとき、第１空隙部３１または第２空隙部２７のいずれかまたは両方が存在することになる。

以上、本実施の形態にて説明した構成を用いれば、ロータ２４の発熱部位に影響されることなく、ロータ２４とスリーブ２８の圧接嵌合部からスリーブ２８内を経由して主軸３２へと伝わる熱伝達経路を長くすることができる。

例えば、図３（Ａ）に示すように、ロータ２４の発熱部位５０がスリーブ２８とロータ２４間の第２圧接部２６に近接する部位であった場合、熱は発熱部位５０から第２圧接部２６へと伝わる。そして第２圧接部２６から直線的に主軸３２へ伝わる熱は、第１空隙部３１に熱伝達を阻害されるため、熱はスリーブ２８内を経由して、スリーブ２８と主軸３２間の第１圧接部３０から主軸３２へと伝わることになる。なお、図３（Ａ）では熱伝達経路５１を点線で示している。

また、図３（Ｂ）に示すように、ロータの発熱部位５０がスリーブ２８とロータ２４間の第２空隙部２７に近接する部位であった場合、直線的に主軸３２へ伝わる熱は第２空隙部２７に熱伝達を阻害されるため、熱はロータ２４内を経由して、スリーブ２８とロータ２４間の第２圧接部２６へと伝わることになる。さらに第２圧接部２６から直線的に主軸へ伝わる熱は、第１空隙部３１に熱伝達を阻害されるため、熱はスリーブ２８内を経由して、スリーブ２８と主軸３２間の第１圧接部３０から主軸３２へと伝わることになる。なお、図３（Ｂ）では熱伝達経路５１を点線で示している。

このようにロータ２４の発熱がどの部位に発生したとしても、直線的に主軸３２へ向かう熱は、第１空隙部３１または第２空隙部２７のいずれかまたは両方に阻害されるため、
熱はスリーブ２８内若しくはロータ２４内を経由することになる。熱は熱伝達経路５１上で拡散するとともに放熱され、主軸３２へと伝わる熱を小さくすることができる。

なお、前記実施形態は以下のように変更することもできる。
図４（Ａ）に示すように、第１、第２圧接部３０，２６をそれぞれ周方向に１２０度位相の異なる３箇所に離散して配置し、第１圧接部３０と第２圧接部２６は、周方向に６０度位相を変えて相対配置させた構成としてもよい。これにより、ロータ２４の発熱がどの部位に発生しても、主軸３２へ伝わる熱を小さくすることができるとともに、ロータの締め付け力を大きくすることができる。

また、第１、第２圧接部３０，２６をさらに多くの箇所に離散して配置し、第１圧接部３０と第２圧接部２６を周方向に位相を変えて相対配置させた構成としてもよい。この場合、第１、第２圧接部３０，２６と第１、第２空隙部３１，２７の当接する面積を調整して、第２圧接部２６からスリーブ２８内を経由して第１圧接部３０へと伝わる熱伝達経路の長さを、熱がスリーブ２８内で拡散するとともに十分放熱される長さとする。これにより、ロータ２４の発熱がどの部位に発生しても、主軸３２へ伝わる熱をより小さくすることができるとともに、ロータの締め付け力をより大きくすることができる。

さらに、図４（Ｂ）に示すように、第１圧接部３０の面積を小さくすることにより第1空隙部３１を大きくし、第２圧接部２６の面積を小さくすることにより第２空隙部２７を大きくした構成としてもよい。これにより、第２圧接部２６からスリーブ２８内を経由して第１圧接部３０へと伝わる熱伝達経路を長くすることができる。熱伝達経路を長くすることで、スリーブ２８内での熱の拡散と放熱が大きくなり、主軸３２へ伝わるロータ２４の熱をより小さくすることができる。

図４（Ｃ）に示すように、第1、第２空隙部３１，２７をスリーブ２８の外周面及び内周面に凹部を形成するのではなく、主軸３２の外周面とロータ２４の内周面に凹部を形成し、それぞれ第1、第２空隙部３１，２７とする構成としてもよい。その他、主軸３２の外周面とロータ２４の内周面の双方に凹部を形成し、それぞれ第1、第２空隙部３１，２７とする構成としてもよいし、主軸３２、スリーブ２８、ロータ２４のいずれか又は両方に形成した凹部を組み合わせて第1、第２空隙部３１，２７とする構成としてもよい。これにより、ロータ２４の発熱がどの部位に発生しても、主軸３２へ伝わる熱を小さくすることができる。

また、第１、第２圧接部３０，２６の回転軸方向の長さは、ロータ２４の長さより短くしてもよい。これにより、ロータ２４の発熱がどの部位に発生しても、主軸３２へ伝わる熱を小さくすることができるとともに、ロータ２４の締め付け力のばらつきを小さくすることができる。

さらに、第１、第２圧接部３０，２６の回転軸方向の長さは、ロータ２４の長さより長くしてもよい。これにより、スリーブ２８部内での熱の拡散と放熱の効果が高くなり、ロータ２４の発熱がどの部位に発生しても、主軸３２へ伝わる熱を小さくすることができる。

本実施の形態では主軸３２の支持部とステータ２２を同じハウジング１８に固定しているが、ステータ２２を別体のハウジングに固定した構成としてもよい。

また、本実施の形態では熱伝導阻害部として空隙を用いたが、熱伝導阻害部に非熱伝導素材を充填させてもよい。これによりロータ２４の熱は直線的に主軸３２へと伝わらず、スリーブ２８経由に迂回されて伝わることとなり、熱伝達径路を長くすることができる。熱伝達経路を長くすることで、スリーブ２８内での熱の拡散と放熱が大きくなり、主軸３２へ伝わる熱を小さくすることができる。

本実施の形態では工具の例として砥石を用いたが、他の工具（例えばドリル，エンドミル，リーマ，フライス，タップ，ダイス等）を用いた工作機械に適用することができる。また、図１の例では工具（砥石）１４を工具把持部（ホルダ）１２で保持したが、締結部材（ネジやボルト等）を用いて砥石等の工具を主軸（スピンドル）３２に直接固定してもよい。このように他の工具や他の保持方法を適用したとしても、従来よりも熱が伝わり難いので、加工精度を向上させることができる。したがって、ビルトインモータ主軸装置１０は砥石軸だけでなく、加工精度が求められる工作機械（例えばマシニングセンタなど）の軸頭にも適用できる。

１０：ビルトインモータ主軸装置、 １２：工具把持部（ホルダ）、 １４：工具（砥石）、 １６：フロント側軸受、 １８：ハウジング、 １９：冷却ジャケット、 ２０：モータ、 ２２：ステータ、 ２４：ロータ、 ２６：第２圧接部、 ２７：第２空隙部（第２熱伝導阻害部）、 ２８：スリーブ、 ３０：第１圧接部、 ３１：第１空隙部（第１熱伝導阻害部）、 ３２：主軸（スピンドル）、 ３４：リア側軸受、 ５０：発熱部位、 ５１：熱伝達経路

Claims (5)

1. ハウジングと、
   前記ハウジングに回転可能に支持された主軸と、
   前記主軸の外周面に圧接嵌合されたスリーブと、
   前記スリーブの外周面に圧接嵌合されたロータを有し、前記主軸を回転駆動するモータと、を備え、
   前記主軸と前記スリーブの間の圧接嵌合部は、周方向に間隔をあけて配置された複数の第１圧接部と、当該第１圧接部間に配置された複数の第１熱伝導阻害部とからなり、
   前記スリーブと前記ロータの間の圧接嵌合部は、周方向に間隔をあけて配置された複数の第２圧接部と、当該第２圧接部間に配置された複数の第２熱伝導阻害部とからなり、
   前記第１熱伝導阻害部および前記第２熱伝導阻害部は、前記主軸の軸方向所定位置における軸方向直交断面において前記主軸中心から各放射方向を見たとき、前記両熱伝導阻害部のいずれかが存在するように配置されていることを特徴とするビルトインモータ主軸装置。
2. 請求項１に記載のビルトインモータ主軸装置であって、
   前記第１熱伝導阻害部および前記第２熱伝導阻害部は、前記主軸の軸方向所定位置における軸方向直交断面において前記主軸中心から各放射方向を見たとき、前記両熱伝導阻害部の両方が存在するように配置されていることを特徴とするビルトインモータ主軸装置。
3. 請求項１〜２に記載のビルトインモータ主軸装置であって、
   前記主軸と前記スリーブの間の圧接嵌合部は、周方向に１８０度位相の異なる２箇所の第１圧接部と、当該第１圧接部間に配置された２箇所の第１空隙部とからなり、
   前記スリーブと前記ロータの間の圧接嵌合部は、周方向に１８０度位相の異なる２箇所の第２圧接部と、当該第２圧接部間に配置された２箇所の第２空隙部とからなり、
   前記第１圧接嵌合部と前記第２圧接嵌合部は、周方向に９０度位相を変えて相対配置されていることを特徴とするビルトインモータ主軸装置。
4. 請求項１〜３に記載のいずれかのビルトインモータ主軸装置と、
   主軸に取り付けた加工工具と、を備え、
   前記主軸を前記ビルトインモータ主軸装置で回転駆動させて加工をおこなうことを特徴とする加工装置。
5. 請求項１〜３に記載のいずれかのビルトインモータ主軸装置であって、
   前記主軸と前記スリーブの間の軸方向の両端部の圧接嵌合部及び前記スリーブと前記ロータの間の軸方向の両端部の圧接嵌合部は、周方向に全周に設けられている
   ことを特徴とするビルトインモータ主軸装置。

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